Oscillation, Oscillator, Oscillatory Circuit(발진, 발진기, 진동자, 발진 회로, 오실레이터)

[관운]

Oscillation, Oscillator, Oscillatory Circuit(발진, 발진기, 진동자, 발진 회로, 오실레이터)

1. 발진 (Oscillation)

  ㅇ 주기적이고 반복적인 진동
     - 정해진 공간에서 같은 운동을 반복하는 주기 운동 (Periodicity)

2. 발진자/발진기

  ㅇ [물리계] 발진자/진동자 (Oscillator/Vibrator)
     - 진동이 일어날 수 있는 계(系)는 어느 것이나 진동자/발진자 라고 지칭
        . 例) 용수철-질량계, 진자(Pendulum), 쌍극자, 레이저 등

  ㅇ [전기계] 발진기/발진회로 (Oscillator,Oscillatory Circuit)
     - 증폭 및 양의 피드백 현상을 이용한 주파수 발생 신호원
        . 특정 주파수 성분을 성장, 포화시켜 주기적인 신호를 지속적으로 자력으로
          발생시키도록 메커니즘(정귀환)화된 회로 또는 장치

3. 발진기의 구분

  ㅇ 전기 발진기의 구분,종류  ☞  발진기 종류 참조
     - (LC 발진기, RC 발진기, 수정 발진기, 멀티바이브레이터, VCO 등)

  ㅇ 광 발진기                ☞ 광 공진기, 레이저 참조

4. 전기 발진기의 특징 (구성, 발진 과정, 발진 조건 등)

  ㅇ 발진기 구성
     - `증폭기능을 제공하는 능동소자(트랜지스터,부성저항소자 등)` 및 `양의 피드백 기능을
       제공`하며 `주파수 선택이 가능한` 수동소자로 구성됨
         
     - 입력 신호는 없음
        . 특정 주파수에서 입력 신호가 없어도 유한한 발진 출력이 지속되어 나옴
           .. 사실상, 발진회로의 입력은 발진기 내부에서 발생되는 잡음으로 볼 수 있음

  ㅇ 발진할 수 있는 조건          ☞ 발진조건(Barkhausen Criterion) 참조
     - 특정 주파수(공진주파수) 성분이 지수적으로 성장시킬 수 있는가 여부
        . 귀환루프 위상천이가 `0˚` 또는 `n x 360˚(2π 정수배)` : 동상
           .. 입력 신호에 귀환 신호가 합쳐지도록 한 것 (극성이 같음)
        . 귀환루프 전압이득(루프이득)이 `1`

     * 스타트업 조건 (Start-up condition)
        . 실제의 발진기는 전형적으로 루프이득을 `1` 보다 약간 크게 함

  ㅇ 발진기 요소별 주요 기능
     - 증폭   : 발진기 손실의 만회
     - 정귀환 : 신호의 자기 성장
     - 동조   : 특정 발진 주파수를 결정

  ㅇ 발진기의 자기지속 발진 과정
     - 발진시작(start-up) -> 성장(grow) -> 포화(saturation) -> 안정된 발진(stable)

5. 전기 발진기 관련 회로소자 例

  ㅇ 발진 진폭 조절
     - 예기치못한 무한 발진 진폭 제한을 위해,
       리미터 회로 및 부귀환 저항 소자 등을 이용할 수 있음

  ㅇ 발진 주파수 선택 제어 회로               ☞ 동조회로,탱크회로 등

  ㅇ 일련의 개별 주파수들을 만드는 회로       ☞ 주파수 합성기 (Frequency Synthesizer)
     - 일정 간격의 주파수 단위로 증가 또는 감소된 일련의 개별 주파수들을 만드는 소자
        . 보통 PLL 방식의 구성이 사용됨

  ㅇ 안정화된 정확한 고주파 주파수를 만들어냄           ☞ PLL (위상고정회로)
     - 보통 PLL 시스템 내부에 발진기를 내재시켜 제작

  ㅇ 발진 주파수를 혼합하여 또하나의 주파수를 만들어냄  ☞ 믹서 (Mixer)
     - 믹서는 항상 그 입력 중 하나로 발진기를 사용

1. 발진기 이란?

  ㅇ 특정 주파수 성분을 성장, 포화시켜 주기적인 신호를 지속적으로 자력으로
     발생시키도록 메커니즘(정귀환)화된 회로 또는 장치 (주파수 발생 신호원)

2. 발진기 일반적 구분,종류

  ㅇ 발생 파형에 따른 발진기 분류
     - 정현파(사인파) 발진기 (Sinusoidal Oscillator)
        . LC 발진기, RC 발진기, 수정 발진기 등
     - 비 정현파(사인파) 발진기 (Nonsinusoidal Oscillator) 
        . 구형파 발진기(펄스 발진기) (Square-wave Oscillator)
           .. 멀티바이브레이터(쌍안정,단안정,비안정), 링 발진기 등
        . 톱니파 발진기, 삼각파 발진기 등

  ㅇ 주파수에 따른 발진기 분류
     - 주파수 조절가능 저주파 발진기 (수동소자 값 선택에 따라 주파수 조절 가능)
        . RC 발진기   : 1MHz 미만
        . LC 발진기   : 100kHz~수백MHz

     - 주파수 고정형 저주파 발진기
        . 수정 발진기 : 수백MHz 미만
           .. 하나의 발진 주파수에서 만 동작 (전기기계적 공진현상 이용)

     - 고주파 발진기
        . 주로, 주파수체배기 이용
           .. 저항성 다이오드 체배기
           .. 리액티브 다이오드 체배기
           .. 트랜지스터 체배기

  ㅇ 동작중에 주파수 조절 가변(주파수 제어)이 가능한 발진기
     - 전압제어발진기 : VCO 등
        . 버랙터 다이오드 등을 활용
     - 전류제어발진기 : YIG 발진기 등

3. 발진기 구현 형태

  ㅇ 피드백형 발진기  : 2 포트 구현
     * 주로, 수동소자 궤환(Feedback loop) 및 주파수 선택(탱크회로)를 이용한 발진회로
        . 대부분의 발진기는 공진기의 리액턴스 성분의 조절을 통해 동조시켜 발진을 유지함
           .. 발진이 파괴적 또는 멈추지 않도록 하며, 적당한 발진을 지속하기 위함

     - LC 발진기  : LC 동조형 공진을 이용한 발진회로
        . 귀환 회로의 차이에 따라 구분됨. 주파수 정확성이 좋지 않음.
           .. 콜핏츠 발진기(Colpitt) 
           .. 하틀리 발진기(Hartley)
           .. 클래프 발진기(Clapp)
           .. Pierce형 발진기 등

     - RC 발진기  : RC 회로의 위상천이에 의한 발진회로
        . 주파수 가변성은 좋으나, 주파수 정확성 결여 및 고주파수 적용에 어려움
           .. 윈 브리지 발진기(Wien bridge)
           .. 위상천이 발진기
           .. 쿼드러쳐 발진기(Quadrature)
           .. Twin-T 발진기 등

  ㅇ 부성저항 발진기  : 1 포트 구현
     * 부성저항 특성을 갖는 단일 능동소자(증폭소자)를 이용한 초고주파대 발진기
     - 부성저항 이용 발진기 例
        . 유전체 공진 발진기(Dielectric Resonator Oscillator,DRO)
        . Microstrip 발진기
        . YIG 발진기 등

     - 부성저항(Negative resistance) 2-단자 소자 : Gunn 다이오드, IMPATT 다이오드 등

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오래전 모뎀을 가지고 통신하던 시절에 모뎀 메뉴얼에 부품설명을 하면서 크리스탈 오실레이터라고 아주 작은 부품이 기판에 붙어 있는 것을 보았습니다. 당시 이것이 특정 아날로그 주파수를 만들어 모뎀 서로간에 동기를 잡고 그 주파수 위에 데이타를 실어 보내고 받는다는 것을 알았습니다. 당시는 TEXT 위주의 데이타통신이기 때문에 아날로그로도 충분했지만 지금은 윈도우기반 위에 통신을 하기 때문에 메가나 기가 단위의 초고속전송망에서 인터넷이나 전용회선이 사용되어 지고 있는 것으로 알고 있습니다.

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예전에는 데이콤에 입사하면 좋은 회사에 들어간 줄 알고 부러워 하기도 했습니다. 하지만 제가 통신일을 하면서 데이콤이 기간설비망이 절대부족함을 알았고 KT의 기간망을 임차해 쓰고 있었습니다. 쉽게 말해 데이콤이 공중망(전화)나 전용회선을 신청하면 기간망은 어느정도 갖추었다고 해도 가입자 단말에 이어지는 선은 KT에 임차해서 사용해야 했기 때문에, 장애가 발생하면 데이콤에 신고하고 다시 데이콤은 KT에 신고하고 복잡한 구조를 가지고 있었습니다.

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대략 2001년 한전이 전국에 광통신 기간망을 구축하면서 통신사업도 함께 할 수 없어 한전에 통신직업군과 기타 신규직업을 모집해서 파워콤을 만들어 한전에서 분리독립했습니다. 이때 많은 한전 직원들이 좋은 대우를 조건으로 이직했습니다. 이 광통신망은 기간망을 갖추지 못한 여러 인터넷 사업자와 유선방송 사업자들이 이용하는 유망한 직종이었지만 한전의 통신실(기지국) 사용료와 전봇대에 매달려서 가는 소위 '공가'를 지불해야 했습니다. 한전은 가만히 앉아서 많은 돈을 벌었지만 파워콤은 경영이 부실하여 데이콤을 거치고 현재 LG의 자회사가 된 것으로 알고 있습니다.

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우리가 흔히 길가에서 보는 전봇대에는 상층에 고압이 3상으로 흐르고 있습니다. 그 아래는 여러가지 방식에 저압변압기가 달려 있어 가정으로 전기가 들어오게 됩니다. 그 아래 중간쯤에 여러가닥에 케이블이 다발로 묶여 지나가고 있는데 이것들이 광케이블 또는 KT에서 사용하는 다대케이블입니다. KT는 자가 전신주도 있지만 전신주를 세울 수 없는 곳에는 한전 전봇대를 이용하기도 합니다. 신도시인 경우에는 모든 상하수도, 가스, 전력선, 고압선, 저압선등이 땅속 공동관로로 지나가기 때문에 지상에서는 변압기 정도 보이는 경우가 많습니다. 구도시는 공동구 설계가 어렵기 때문에 불가피하게 전봇대를 사용합니다.

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한전에서는 기능직들이 있는데 이들은 대부분 저압(전봇대) 유지보수일을 주로 하고 있으며 전봇대가 부러지거나 하면 단가업체에서 고압보수차를 이용해서 복구하는 일을 합니다. 한전지사나 지점에는 기술부로 배전부와 지중배전부가 있는데, 늘 사고가 나는 것은 배전부이며 지중배전부는 자동차가 와서 배전설비를 드리받는 사고가 아니면 그다지 하는 일이 없는 부서입니다.

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한때 형님, 형님 하면서 따라다니던 한전 배전운영실 기능직 직원이 있었습니다. 제가 통신실에서 근무하고 있는데 CD에 영화를 담아 왔다며 찾아왔습니다. '원더풀데이'라는 에니메이션 영화였습니다. 그 일이 있은지 얼마 후 비가 부슬부슬 내리던 날 한전보수차를 타고 작업을 나갔다가 변압기 위에 까치집을 작업봉으로 정리하다가 그만 고압선을 건드려 스파크가 나면서 저압변압기에 불이 붙어 터지는 사고고 변압기 안에 들어있던 기름이 터지는 바람에 형체를 알아 보기 힘들정도로 새까막게 타서 숨지고 말았습니다. 저압보수 경력이 미숙한데다가 비가 내리는 날 무리하게 까치집을 제거하려고 한 것이 사단이 되었습니다.

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오래전 빈 강당에 여러 잡다한 선을 정리하다가 전기선이 하나 나와 있어서 그냥 무심코 니퍼로 짤라 버렸습니다. 순간 펑 하는 소리와 불빛이 번쩍했는데, 깜짝 놀라 뒤로 자빠졌습니다. 순간 다른 사무실에도 전기가 나가지는 않았는가 살펴보니 다행히도 독립된 다른 전원이었습니다. 사용하던 니터는 이빨이 녹아 못쓰게 되었습니다. 전기가 쇼트되어 빛과 함께 열이 발생하는데 1500도씨가 넘는 다는 것을 알았습니다. 2차 피해를 막기 위해 칼로 조심조심 까서 절연테이프로 마무리해 놓는 것으로 그 때의 사고를 마무리 했습니다. 참고로 고압이 번쩍하면 실명할 수도 있고 전기화상을 입는 경우가 발생할 수도 있습니다.